基于CPFD多密度电子垃圾颗粒分离影响因素研究.pdf
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1、22doi:10.3969/j.issn.1671-9492.2024.02.004基于CPFD多密度电子垃圾颗粒分离影响因素研究有色金属(选矿部分)2024年第2 期薛建勇1,柳忠彬1.2.3,杨凡1,董泽宇1,王亚琳1,肖蒙卓1(1.四川轻化工大学机械工程学院,四川宜宾6 440 0 0;2.四川省矿山尾渣资源化利用工程实验室,四川宜宾6 440 0 0;3.过程装备与控制工程四川省高效重点实验室,四川宜宾6 440 0 0)摘要:基于电子垃圾中稀贵金属绿色、高效以及低能耗的分离回收需求,利用CPFD(计算颗粒流体动力学法),Barracuda气固耦合仿真分析软件建立电子垃圾颗粒气固分离模
2、型,由于一次气流导致电子垃圾中稀贵金属颗粒分离效果不佳,颗粒混合度高,稀贵金属颗粒的品位和回收率较低,在一次气流基础上,引人二次气流,实现电子垃圾颗粒在竖直方向上的二次梯度分离,模拟电子垃圾中稀贵金属颗粒在两次气流作用下不同颗粒流的迁移轨迹、运移规律和稀贵金属颗粒的分选特性,探讨在两次气流参数、物料下落流量以及颗粒粒径下电子垃圾中稀贵金属颗粒的分离效率,包括品位和回收率。研究表明,多密度电子垃圾颗粒干法分选模型可以有效富集电子垃圾中稀贵金属;电子垃圾颗粒下落流量与颗粒粒径对稀贵金属的分离有显著影响,当一次进风的气流速度为3.8 m/s、二次进风的气流速度为4.6 m/s、人料开口宽度为4mm、
3、两次气流开口宽度均为35mm、颗粒粒径为7 5 10 0 m时,Au的品位和回收率可达8 7.1%和99.1%;Cu的品位为7 0.8%,回收率为85.8%,富集比为35.4。说明在一次气流和二次气流的共同作用下,改变电子垃圾颗粒的人口流量、控制颗粒的粒径大小可以有效提升电子垃圾中稀贵金属的品位和回收率,同时对多密度颗粒多梯度、高精度的干法分选提供参考和借鉴。关键词:电子垃圾;颗粒分离;分选特性;二次进风;稀贵金属回收中图分类号:X705;TD922+.4Study on the Influencing Factors of Multi-density E-waste Particle Sep
4、aration Based on CPFDXUE Jianyong,LIU Zhongbin-2.3,YANG Fan,DONG Zeyu,WANG Yalin,XIAO Mengzhuo(1.College of Mechanical Engineering,Sichuan University of Science&Engineering,Yibin 644000,2.The Sichuan Key Laboratory of Mine Tailings Resource Utilization,Yibin 644000,Sichuan,China;3.The Sichuan Key La
5、boratory of Process Equipment&.Control Engineering,Yibin 644000,Abstract:Based on the requirements of green,efficient and low-energy separation and recovery ofrare and precious metals in E-waste,a gas-solid separation model of E-waste particles was established byusing CPFD(C o m p u t a t i o n a l
6、Pa r t i c le Flu i d D y n a m i c s)a n d Ba r r a c u d a g a s-s o li d c o u p li n g s i m u la t i o nanalysis software.Due to the poor separation effect of rare and precious metal particles in E-waste causedby primary air flow,the particle mixing degree is high,and the grade and recovery of
7、rare and preciousmetal particles are low.On the basis of primary air flow,secondary air flow is introduced to realize thesecondary gradient separation of E-waste particles in the vertical direction.The migration trajectory andmigration law of different particle flows and the separation characteristi
8、cs of rare and precious metalparticles in electronic waste under the action of two airflows were simulated.The separation efficiency ofrare and precious metal particles in electronic waste,including grade and recovery,was discussed undertwo airflow parameters,material falling flow rate and particle
9、size.The results show that the multi-density dry separation model can effectively enrich the rare and precious metal particles in E-waste.The文献标志码:ASichuan,China;Sichuan,China)文章编号:16 7 1-9492(2 0 2 4)0 2-0 0 2 2-0 7收稿日期:2 0 2 2-11-0 3基金项目:四川省科技厅重点研发计划项目(2 0 2 1YFG264);四川省?山州重点研发计划项目(2 2 ZDYF0164)作者
10、简介:薛建勇(1998 一),男,四川绵阳人,硕士研究生,主要从事分离机械、流体机械研究。通信作者:柳忠彬(197 2 一),男,四川彭州人,博士,教授,主要从事过滤与分离研究。2024年第2 期falling flow rate and particle size of E-waste particles have significant effects on the separation of rare andprecious metals.When the airflow velocity of the primary air inlet is 3.8 m/s,the airflow v
11、elocity of thesecondary air inlet is 4.6 m/s,the width of the feed opening is 4 mm,the width of the two airflowopenings is 35 mm,and the particle size is 75-100 m,the grade and recovery of Au can reach 87.1%and 99.1%.The grade of Cu is 70.8%,the recovery is 85.8%,and the enrichment ratio is 35.4.Its
12、hows that under the combined action of primary air flow and secondary air flow,changing the inlet flowof E-waste particles and controlling the particle size of particles can effectively improve the grade andrecovery of rare and precious metals in E-waste,and provide reference for multi-density multi
13、-gradientand high-precision dry separation.Key words:electronic waste;particle separation;sorting characteristics;secondary air intake;recoveryof rare and precious metals科学技术不断进步、电子产业快速发展的社会背景下,电子废弃物以近乎2 0%的增长速度稳居固体废弃物增长第一,全球电子垃圾激增的主要原因是人类对数据和数字服务需求的不断增长。据相关数据表明,2 0 2 1年,全球每人平均产生7.6 千克电子垃圾。这意味着2 0 2
14、 1年将产生57 40 万t电子垃圾,首次超过地球上最大的人造建筑一中国长城的重量1-2 。调查显示,在广大民众看来电子垃圾的回收率可达40%50%。实际上,2 0 19年正式回收量为9 30 万t,仅仅只占据产生的电子废弃物的17.4%。过去2 0 年来,各国政府对于电子垃圾的回收做了大量努力,然而现实依旧不容乐观。2 0 14年以来,全球电子垃圾回收量年均增长仅在40 万t左右,而电子废弃物量每年以近2 0 0 万t的速率增加,全球电子废弃物增长速度与电子垃圾回收量严重不匹配。电镀废弃物、废电池、废电子元件、废旧电器、废通讯器材等为电子废弃物主要组成部分。其中有汞、镉、铅、铬、水银、溴化阻
15、燃剂等有毒有害物质3-4,对其处理不当容易造成大气、水体与土壤污染,危及生命健康。同时也有金、银、铜等贵金属和铅等重金属5,含量与天然矿石等一次资源相比,金属品位更高,提炼难度相对较低,是典型的城市矿山6 。传统的电子垃圾回收工艺通过物理分离7 工艺、火法冶金工艺、湿法冶金工艺和生物冶金工艺进行。高温火法冶金,即12 0 0,通常的技术需要很高的投资。NaOH可以作为造渣材料,将金属与废渣分离,降低熔化温度。湿法冶金过程需要进行各种步骤,包括一系列酸或苛性碱作为固体物质的浸出介质,随后进行各种分离和纯化程序8 。然而,湿法冶金现在被证明是废物处理的可持续路线,但贵金属主要是金的提取只能在氰化物
16、介质中进行。因薛建勇等:基于CPFD多密度电子垃圾颗粒分离影响因素研究kg/m;0 g 一气体体积分数,%。气相动量方程如式(2)所示。g0gg-F式中,p一气相压力,Pa;g一重力加速度,m/s;F一单位体积的气体与电子垃圾颗粒的动量交换率,(kg m)/(s m-3)。对于电子垃圾颗粒相,动力学通过可能的概率23此,传统的技术由于污染环境、成本高、效率低等问题已经不能满足未来工业的要求 。针对电子垃圾回收利用以及环境的保护,本文从绿色和资源回收的角度出发,研究干法回收方法10-1对电子垃圾颗粒中贵重金属的富集作用。基于Barracuda软件CPFD求解气固耦合问题12 ,模拟电子垃圾颗粒在
17、气流作用下的分选特性,在不同流量以及不同粒径下探究电子垃圾颗粒的分离效率,同时对电子垃圾干法分选技术作进一步新的探索和研究。1数学模型CPFD法(计算颗粒流体动力学法)是基于欧拉-拉格朗日法来求解颗粒和流体的运动,流体相在欧拉框架下满足Navier-stokes方程,颗粒相采用多相粒子网格法来计算,通过对流体建立欧拉体系,对颗粒建立拉格朗日体系,流体相与颗粒相通过相间作用力进行紧密耦合。由于两相流动近似为等温且不考虑气体的可压缩性,所以在纳维-斯托克斯方程中不考虑能量方程13-14对于气相,其控制方程如式(1)所示。式中,g一气体速度,m/s;p g 气体密度,(2)(1)24分布函数f(,u
18、 p?p p,Vp,t)来描述,其中表示电子垃圾颗粒的位置,up表示电子垃圾颗粒速度,m/s;p p 代表电子垃圾颗粒密度,kg/m;V,代表电子垃圾颗粒体积,m;t 表示时间,S。通过求解Liouville方程求解时间t的函数方程f,以此来描述颗粒相的运动轨迹,如式(3)所示:+v.(fu)+Vu(fA)=0at式中,A表示电子垃圾颗粒的加速度,m/s;Vup表示相对速度差异,m/s。每单元电子垃圾颗粒体积分数:O,=l/V,dV,dpdup流体相和颗粒相动量交换方程:F=J fm(D,(ug-up)-)dmduPp/式中,D,为曳力系数;p为电子垃圾颗粒的速度,m/s;Pp 为电子垃圾颗粒
19、的密度,kg/m;f 为概率分布函数;m为质量,kg。在CPFD中气固颗粒的拽力模型分为三种,主要为Wen-Yu模型、Ergun拽力模型、Wen-Yu和Ergun组合的拽力模型。Wen-Yu模型适用于固体颗粒体积分数不高于0.6 1的气固两相流,而本文研究的固体颗粒体积分数为0.5,故采用Wen-Yu拽力模型15-16 。Wen-Yu模型拽力模型:Cd240-2.65Re0.5ReCd24(1+.15 e0.687)0,2.5ReC=.40.2.65D,=0.75Ca LRe=ed,un-up/式中,Di表示拽力,N;d,表示电子垃圾颗粒的直径,m;C a 为电力系数;Re为雷洛数。2电子垃圾
20、气固分离模型为了探究电子垃圾颗粒在气流分选中的分选特征,建立由一次进风口、二次进风口、人料口、隔板、金属颗粒金和铜的收集口以及其他颗粒塑料收集口组成的分离模型,其简化结构如图1所示。物料颗粒从人料口进人,由于受重力的影响,颗粒自由下落,一次进风口主要对物料进行初次分离,将金属颗有色金属(选矿部分)粒和非金属颗粒分离开来,金属颗粒金和铜将在二次风的作用下进行二次分离,随即进入金属颗粒收集口。电子垃圾各组分密度不同,为颗粒间相互分离提供了先决条件,为了避免其他因素(颗粒的形状和粒径)对颗粒运动轨迹的影响,在进行数值模拟时将颗粒设为规则球体,粒径统一。在气体进入时,由于不同物理性质的电子废弃物颗粒与
21、空气形成气固(3)两相混合介质,在横向气流的作用下,由于颗粒密度差异,颗粒在气流中的运动轨迹也随之不同,重颗粒和轻颗粒将在收集口由近及远分布,从而达到对不同电子垃圾颗粒的分离,去除塑料及其他非金属颗(4)粒,回收贵重金属。人料口(5)一次进风口二次进风口一金收集口铜收集口塑料收集口图1气固分离模型Fig.1Gas-solid separation model本次数值模拟基于Barracuda建立有限元流场模型,在一次风口的基础之上添加二次进风口,探究电子垃圾颗粒粒径以及不同下落流量对分选效果的影响。设置分选流场边界条件为:电子垃圾颗粒体积堆积分数为0.5;颗粒-壁面法向动能系数为0.3;0.5
22、Re1000圾颗粒中主要包含一些金属颗粒、塑料以及玻璃纤维ug-up(7)d(8)ug2024年第2 期气流出口隔板-强化树脂,本文主要探究贵金属金和铜的分离回收,其中塑料占据大部分,所以将非金属颗粒归于塑料成分(由于非金属颗粒的密度为12 0 0 2 540 kg/m,所以取非金属颗粒的密度为中间值18 7 0 kg/m),设置初始颗粒粒径为0.0 7 5mm,给定物料成分含量为塑料7 9.92%,金(Au)为0.0 8%,铜(Cu)为2 0%,如表1所示。表1电子垃圾颗粒元素组分含量Table 1Element component content of electronicwaste pa
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